Конденсационная электростанция (КЭС) — это тепловая электростанция, производящая преимущественно электрическую энергию. Получила своё название благодаря особенности принципа работы, в которой ключевую роль играет конденсация пара. КЭС составляют основу тепловой электроэнергетики России, представляя значительную часть установленной мощности Единой энергетической системы.
Принцип работы КЭС
Работа КЭС основана на трёхкратном преобразовании энергии:
- Преобразование химической энергии в тепловую — топливо (уголь, газ, мазут) сжигается в топке парогенератора (котла). При сгорании химическая энергия топлива превращается в тепловую энергию топочных газов
- Преобразование тепловой энергии в механическую — вода под большим давлением (подводится питательным насосом) проходит через трубную систему внутри котла, где нагревается до кипения. Получаемый пар перегревается примерно до 540 °C при давлении 13–25 МПа и поступает в паровую турбину. Расширяясь в турбине до очень низкого давления (примерно в 20 раз ниже атмосферного), пар передаёт свою потенциальную энергию, вращая ротор турбины
- Преобразование механической энергии в электрическую — вращение турбины приводит в движение ротор электрогенератора. В статоре генератора при вращении магнитного поля ротора генерируется электрический ток, который поступает в энергосистему
После турбины отработанный пар поступает в конденсатор, где под действием охлаждающей воды конденсируется обратно в жидкость. Конденсатор создаёт глубокое разрежение (вакуум) на выходе из турбины, что обеспечивает максимальное расширение пара и преобразование его энергии в механическую работу. Сконденсированная вода возвращается в котёл, замыкая цикл.
Историческое название — ГРЭС
Исторически в СССР конденсационные электростанции, включённые в единую энергосистему, получили наименование ГРЭС — Государственная районная электростанция. Название отражало государственную принадлежность и использование местных энергоресурсов (торф, бурый уголь) для преимущественного снабжения конкретного региона.
Первая ГРЭС в Российской Империи — «Электропередача» (сегодняшняя ГРЭС-3 им. Р. Э. Классона) — была сооружена под Москвой в городе Электрогорске в 1912–1914 годах с основным топливом торф и мощностью 15 МВт.
В современном понимании термин ГРЭС обозначает крупную тепловую электростанцию (мощностью в тысячи МВт), работающую в объединённой энергосистеме наряду с другими крупными электростанциями.
Некоторые исторические ГРЭС были переделаны в ТЭЦ (например, Челябинская ГРЭС в ТЭЦ-4), а после развала СССР термин утратил смысловое значение «государственная».
Основные системы и оборудование КЭС
КЭС является сложным энергетическим комплексом, состоящим из следующих основных систем:
- Котельная установка (парогенератор) — сжигает топливо и вырабатывает пар высокого давления и температуры
- Паротурбинная установка — преобразует энергию пара в механическую энергию вращения
- Электрогенератор — преобразует механическую энергию в электрическую
- Конденсатор — конденсирует отработанный пар и создаёт вакуум
- Топливное хозяйство — приём, хранение и подготовка топлива
- Система золо- и шлакоудаления — удаление твёрдых отходов сгорания
- Система очистки дымовых газов — сокращение загрязняющих выбросов
- Электрическая часть — распределение и передача электроэнергии
- Техническое водоснабжение — отвод избыточного тепла
- Система химической подготовки воды — предотвращение коррозии и отложений
Конденсационная турбина
Конденсационная турбина — паровая турбина, в которой рабочий цикл заканчивается конденсацией пара, а образовавшийся конденсат возвращается в паровой котёл. Это позволяет работать с максимально низким давлением на выходе из турбины, обеспечивая наилучшее преобразование энергии пара:
- Мощность — крупнейшие конденсационные турбины КЭС достигают 1200 МВт, на конденсационных атомных электростанциях — до 1900 МВт
- Применение — используются на всех крупных тепловых и атомных электростанциях для привода электрогенераторов, доменных воздуходувок, судовых двигателей
- Главное преимущество — возможность получения большой мощности в одной энергетической установке
Топливо на КЭС
На российских КЭС используется разнообразное органическое топливо:
- Каменный уголь — преимущественно в пылевидном состоянии
- Природный газ — основной вид топлива для многих станций
- Мазут — нефтяное топливо
- Дизельное топливо — на отдельных станциях
- Бурый уголь — используется реже
Энергетическая эффективность
Электрическая энергия на конденсационной электростанции может быть получена из 30–40% начальной энергии топлива. Остаточные 60–70% энергии неизбежно теряются в виде тепла и уходят с дымовыми газами и охлаждающей водой.
Повышение эффективности ограничено законами термодинамики (теоремой Карно). Улучшение КПД достигается через:
- Повышение начальных параметров пара (давление и температура)
- Применение промежуточного перегрева пара
- Регенеративный подогрев конденсата питательной водой из отборов турбины
- Начальное давление: 13–14, 16–17 или 24–25 МПа
- Начальная и перегретая температура: 540–570 °C
- Расход условного топлива: 240–350 г/кВт·ч
- КПД: 40–45% на современных станциях
Требования к КЭС
Основные технико-экономические требования:
- Высокая надёжность — КЭС должна работать без сбоев, так как производимая электроэнергия потребляется сразу же
- Манёвренность — способность оперативно изменять нагрузку в соответствии с потребностями энергосистемы
- Экономичность — минимизация расхода топлива и эксплуатационных расходов
Охлаждение пара
Для конденсации отработавшего пара требуется большое количество охлаждающей воды с температурой 10–20 °C — примерно 10 м³ в секунду для турбин мощностью 300 МВт. На станциях используются либо естественные водоёмы (реки, озёра), либо искусственные системы охлаждения (градирни).
Типы КЭС по конструкции
На российских КЭС применяются различные конструктивные решения конденсационных турбин — от одноуровневых схем расположения турбины и конденсатора (облегчающих обслуживание и ремонт) до многоуровневых (оптимизирующих производство в целом).
Роль в энергосистеме России
КЭС остаются базовыми источниками электроэнергии в структуре ЕЭС России, обеспечивая стабильное энергоснабжение экономики страны на протяжении более столетия.
Они работают совместно с гидроэлектростанциями, АЭС и, всё в большей степени, с возобновляемыми источниками энергии для обеспечения надёжного и экономичного энергоснабжения.